생체에너지학 2

<생물학적 에너지 전환>

지구의 모든 에너지는 태양에서 나온다. 식물은 태양의 빛에너지를 화학작용에 이용해 탄수화물, 지방, 단백질을 생성하는데, 인간을 포함한 모든 동물들은 식물과 다른 동물들을 섭취하여 세포활동에 필요한 에너지를 얻는다. 에너지는 전기적, 기계적, 화학적 형태와 같이 다양한 형태로 존재하는데, 모든 형태의 에너지는 상호교환적이라고 할 수 있다. 예시로, 근세포는 탄수화물, 지방, 단백질로부터 얻은 에너지를 화학에너지로 전환, 신체를 움직인다. 화학에너지를 역학적 에너지로 전환시키는 생체에너지 과정은 연속적인 화학작용에 의해 조절되는데, 특별한 화학작용을 논의하기 전에 세포의 화학적 반응에 대한 개념을 먼저 알아보자.

 

- 세포의 화학반응-

인체 내의 에너지의 이동은 다양한 분자의 화학적 결합 내에 존재하는 잠재적 에너지 방출을 통해 발생한다. 화학적 결합은 비교적 많은 양의 잠재적 에너지를 함유하고 있는데, 종종 '고에너지 결합(high energy bond)라 한다. 앞서 언급한 것처럼 생체에너지학은 음식물을 생물학적으로 유용한 에너지 형태로 전환하는 과정이며, 이는 일련의 화학적 장용의 결과로 발생한다. 이러한 반응이 일어나기 전 반응물질에 필요한 에너지를 '에너지 소비반응(endergonic reaction)이라고 부른다. 그러나 반응에 필요한 에너지가 보충되면 최초의 작용물질보다 더욱 많은 자유에너지를 생산한다. 화학적 과정의 결과로 에너지를 방출하는 반응을 '에너지 생산 반응(exergonic reaction)이라고 한다. 추가적으로 에너지 소비(endergonic)와 흡열(endothermic)은 서로 혼용하여 같은 의미로 사용되기도 한다. 에너지 생산반응으로 방출된 총 에너지양은 연소와 같은 단순반응이다 세포의 산화작용과 같이 여러 단계에 걸쳐 생산되는 에너지양과 같다. '연결반응'은 세포 내부에서 일어나는 여러 가지 화학적 반응을 '연결반응(coupled reaction)이라 하며, 이는 하나의 반응에서 유리된 자유에너지가 다음 반응을 추진시키기 위해 사용되는 연결작용이라고 할 수 있다. 에너지 생산반응에 의하여 방출된 에너지는 세포에서 반응을 요구하는 에너지(에너지 소비반응)를 위해 사용되는데, 이것은 2개의 기어가 서로 맞물려서 에너지 생산바퀴가 에너지 소비바퀴를 움직이는 것과 같다고 이해하면 된다. 다시 말해서 에너지 생산반응은 에너지 소비반응을 위한 연결반응이라고 할 수 있는 것이다. 산화환원반응은 연결반응의 중요한 형태이므로 꼭 알아두어야 한다.

 

-요약-

1. 대사작용은 인체에서 발생하는 모든 세포작용을 의미하며 이는 분자의 합성과 분해를 포함

2. 세포구조 : 세포막, 핵, 세포질(근육에서는 근형질)로 구성되어 있음

3. 세포막은 세포 내부와 세포와액 사이에 있는 보호적인 장벽의 역할을 함

4. 핵 속에 있는 유전자(DNA)는 세포 내의 단백질 합성을 조절

5. 세포질은 세포의 액체 부분으로 수많은 세포기관을 가지고 있음

6. 더해질 에너지가 필요한 반응은 에너지 소비반응, 에너지를 발산하는 반응은 에너지 생성반응

7. 하나의 반응에서 유리된 자유에너지가 다음 반응을 추진하기 위해 사용되는 반응을 연결반응이라고 함

 

- 산화, 환원반응 -

원자나 분자로부터 전자를 제거하는 과정이 '산화(oxidation)'이고, 원자나 분자에 전자를 추가하는 과정은 '환원(reduction)'이라고 한다. 이러한 산화와 환원은 항상 연결반응을 한다. 이유는 분자는 그것이 전자를 다른 원자에 기부하지 않으면 산화될 수 없기 때문인데, 전자를 기부하는 원자나 분자는 '환원제(reducing agent)이고, 전자를 받아들이는 것은 '산화제(oxidizing agent)이다. 원자 또는 분자는 산화제와 환원제 모두의 역할을 수행할 수 있다. 예시로 분자가 둘의 역할을 수행할 때, 그들은 하나의 반응에서 전자를 얻을 수 있고, 다음에는 산화 - 환원반응(oxidation-reduction reaction)을 일으키기 위해 이러한 전자를 또 다른 분자에 건네줄 수 있다. 그래서 연결 산화 - 환원반응은 위쪽의 양동이에서 넘친 전자라는 물이 아래쪽 양동이로 자연스럽게 흘러내리는 상황과 유사하다. 산화라는 용어가 반응에서 산소의 활동을 의미하는 것은 아니다. 이 용어는 산소가 전자를 받으려는 경향이 있어 산화제로 작용한다는 사실에서 유래된 것뿐이다. 이러한 산소의 중요한 특성은 유용한 형태의 에너지를 생산하기 위해 세포에 의해서 쓰인다. 세포에서 산화 - 환원반응이 자유 전자보다는 수소 원자의 이동과 관계 되어 있다는 사실은 매우 중요하다. 이러한 사실은 수소 원자가 하나의 전자 그리고 핵 안의 하나의 양성자를 갖고 있기 때문인데, 그 덕분에 수소 원자를 잃은 원자나 분자는 전자를 잃고 산화되며 수소 또는 전자를 얻는 것은 환원된다. 많은 생물학적 산화 - 환원반응에서 전자 한 쌍은 분자들 사이에서 자유 전자 또는 수소 원자 한 쌍으로 전달된다. 2개의 분자 즉, 'NAD+(nicotinamide adenine dinucleotide)'와 'FAD(flavin adenine dinucleotide)'는 수소 또는 전자의 이동에서 굉장히 중요한 역할을 한다. NAD+는 '나아신(niacin, 비타민B2)'에서 얻어지는 반면에, FAD는 '리보플라민(riboflavin B2)'에서 나온다. NAD+는 산화된 형태이며 환원된  형태는 'NADH'로 표기한다. 이와 비슷하게 FAD는 산화된 형태이며 환원된 형태는 FADH라는 약어로 표기한다. FADH는 또한 두 번째 수소를 받아 FADH2가 된다. 그러므로 FADH와 FADH2는 같은 반응을 겪기 때문에 같은 분자로 생각할 수 있다.